一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法与流程

1.本发明涉及数据评定领域，尤其涉及一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法。


背景技术：

2.地磁场是地球的固有物理场，在地球科学、地震预报、航空航天、国防建设等领域有着重要的应用，地磁场的固定观测一般在地磁台进行，地磁台的任务就是在长时期内连续记录地磁场矢量的时间变化，并保持精确的绝对测量标准，要描述某一时刻某一地点的磁场强度需要3个独立的分量，绝对观测仪器就是对地磁场的独立分量的绝对值进行测量的仪器，最典型的绝对观测仪器之一就是磁通门经纬仪，它用于测量磁偏角d和磁倾角i的绝对值，绝对观测的准确和可靠程度,决定了地磁台站最终观测数据的准确和可靠程度，根据目前的研究结果，在采用“四位置测量法”前提下，磁通门经纬仪各测项测量误差来源主要有：格值、温度、零点偏移、分辨力，还有与之同步观测的磁通门磁力仪的x、y、z三轴正交度、灵敏度、偏置量、d分量定向、观测墩漂移、台站供电系统不稳定等，为确保全国地磁台站绝对观测数据的可靠性与一致性，需要定期对所有台站的磁通门经纬仪进行对比观测，达到校准的目的；
3.现有的磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定的方法测量结果准确性差，在仪器计量检定过程中某些边界情况下会对仪器性能会出现误判的情况；为此，我们提出一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，而提出的一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法。
5.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
6.一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法，该评定方法具体步骤如下：
7.(1)依据不同测量方法构建测量模型：依据磁通门经纬仪仪器差两不同的测量方式构建两组测量模型；
8.(2)计算灵敏系数公式：通过使用不同的模型获取各组参数，并对标准不确定度公式以及及计算灵敏系数公式进行数据合成处理；
9.(3)计算各分量标准不确定度并合成，得出扩展不确定度：根据参数，计算各输入量xi的标准不确定度u(xi)、灵敏系数ci、不确定度分量ui(y)，并合成标准不确定度uc(e
dx
)、uc(e
ix
)，根据需要进行自由度vi及v
eff
的估计，并确认仪器差的扩展不确定度。
10.作为本发明的进一步方案，步骤(1)中所述测量模型构建具体步骤如下：
11.步骤一：若使用近零法对磁通门经纬仪仪器差进行测量，则构建相关磁偏角d仪器差测量模型以及磁倾角i仪器差测量模型，其具体构建公式如下：
[0012][0013][0014]
其中，其中，为被测仪器所测量的若干组磁偏角基线值d
bx
的均值，为标准仪器所测量的若干组磁偏角基线值d
bs
的均值，为被测仪器所测量的若干组磁倾角基线值i
bx
的均值，为标准仪器所测量的若干组磁倾角基线值i
bs
的均值；
[0015]
δrd、δri：在理想状态下，d
bx
，d
bs
，i
bx
及i
bs
在任何时候都为恒定常数，实际中，由于进行连续相对值记录的磁通门磁力仪的三个磁轴x、y、z并没有完全正交及其它素，导致记录的三分量地磁变化曲线d、h、z会相互掺杂影响，且地磁场变化越剧烈，影响越明显，这种影响量的变化称为日变，其影响量即为δrd、δri，单位：
′
；
[0016]cx
、cs：被测仪器及标准仪器修正系数，无量纲；
[0017]
δc
x
、δcs：被测仪器及标准仪器修正系数的偏差，无量纲；
[0018]
δθ
x
、δθs：被测仪器及标准仪器磁通门探头温度系数，单位：nt/℃；
[0019]
δt
x
、δts：被测仪器及标准仪器测量开始与结束时的环境温度差，单位：℃；
[0020]
δs
x
、δss：近零法测量时被测仪器及标准仪器在某位置的修正值，∑δs为所有四个位置修正值之和，定义为所有第三、第四位置的和减去第一、第二位置的和，单位：nt；
[0021]
t＝3438
′
/rad，弧度转换为角度制分的参数；
[0022]
h：测量点位磁场水平分量概值，测量时段内可认为常量，单位nt；
[0023]
f：测量点位在测量时段磁场总强度均值，测量时段内可认为常量，单位nt；
[0024]
步骤二：若使用指零法对磁通门经纬仪仪器差进行测量，则构建相关磁偏角d仪器差测量模型以及磁倾角i仪器差测量模型，其具体构建公式如下：
[0025][0026][0027]
其中，公式(3)、(4)中各值含义具体见步骤一。
[0028]
作为本发明的进一步方案，步骤(2)中所述数据合成具体步骤如下：
[0029]
第一步：根据使用的测量方法，在式(1)～式(4)中选择仪器差e
dx
以及e
ix
的测量模型，同时对模型中的各不确定度来源进行确定，并获取所有参数；
[0030]
第二步：采用gum法的公式对通过公式(1)、公式(2)、公式(3)以及公式(4)构建的测量模型进行合成，其具体合成公式如下：
[0031][0032][0033]
第三步：对公式(1)～(4)进行合成方差处理，并对偏导数表示式中的各个输入量均取其数学期望进行计算。
[0034]
作为本发明的进一步方案，第三步中所述合成方差具体计算公式如下：
[0035][0036][0037][0038][0039]
其中，ci代表灵敏系数，i为自然数，且i＞0；
[0040]
在公式(7)中，ci的值具体如下：
[0041][0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048][0049]
[0050]
其中，因各个输入量均取其数学期望，故δc
x
＝δcs＝δθ
x
＝δθs＝0，同理，在(8)中，c1＝c2＝1，c3＝-1，1，
[0051]
在(9)中c1＝c2＝1，c3＝-1，
[0052]
在(10)中c1＝c2＝1，c3＝-1，
[0053]
作为本发明的进一步方案，步骤(3)中所述分布估计具体步骤如下：
[0054]
s1：收集被测仪器及标准仪器测得的d、i的基线值均值s1：收集被测仪器及标准仪器测得的d、i的基线值均值以及对标准仪器的以及不确定度来源进行确认；
[0055]
s2：若将被测量值溯源至国际基准，则合成标准不确定度以及
[0056]
若溯源至国内基准，则忽略u1项合成标准不确定度以及
[0057]
s3：收集在日常进行观测的下午时段内，相对记录仪器记录的磁偏角与磁倾角日变幅度，并确定仪器日变引起的偏差范围
±
αd以及
±
αi，同时通过均匀分布估计得到以及
[0058]
s4：记录仪器标定时得到的δc
x
的标准偏差β
x
，标定6组，则由重复性导致的标准不确定度为
[0059]
s5：收集上次校准以来修正系数的变化量的不确定度分量u1(δcs)，其不确定度分量变化量在
±
β
s1
范围内，并通过均匀分布估计得记录修正系数在标定时由重复性导致的不确定分量u2(δcs)，标定6组，其不确定分量标准偏差为β
s2
，并得到将两个不相关的分量合成标准不确定得
[0060]
s6：分别确定被测仪器温度系数δθ
x
以及标准仪器温度系数δθs范围
±
γ
x
以及
±
γs，并通过均匀分布估计得以及。
[0061]
作为本发明的进一步方案，步骤(5)中所述不确定度来源包括与国际标准值的偏差引入的不确定度以及由测量重复性引入的不确定度，其中，与国际标准值的偏差引入的
不确定度为以及国际比对d、i最大允许误差均为0.1
′
，以均匀分布估计得由测量重复性引入的不确定度为以及d、i各进行n次重复测量，每次测量的标准偏差为s(d
bs
)以及s(i
bs
)，n次测量平均值的不确定度为以及
[0062]
相比于现有技术，本发明的有益效果在于：
[0063]
1、该磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定的方法相较于以往评定方法，本发明依据工作人员使用的近零法或指零法两种测量方法构建两组不同的磁偏角d仪器差测量模型以及磁倾角i仪器差测量模型，同时对模型中的各不确定度来源进行确定，并获取所有参数，并采用gum法的公式对构建的测量模型进行合成，合成完成后，对各组模型进行合成方差处理，并对偏导数表示式中的各个输入量均取其数学期望进行计算，计算完成后，测试模型收集被测仪器及标准仪器的基线值均值，同时对标准仪器的基线值均值的不确定度来源进行确认，并依据标准不确定度、灵敏系数以及不确定度分量合成标准不确定度，同时进行自由度估计以确认仪器差的扩展不确定性，通过加入了对结果产生影响的系统因素，能够丰富了该测量理论，使得测量结果更加准确，采用方法进行评定后，结果清晰展示出了测量过程中各影响量的大小，能够避免在仪器计量检定过程中某些边界情况下对仪器性能做出的误判的概率。
附图说明
[0064]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。
[0065]
图1为本发明提出的一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法的流程框图。
具体实施方式
[0066]
参照图1，一种磁通门经纬仪仪器差的测量模型及不确定度评定方法，本实施例具体提供了一种自由度估计方法：
[0067]
依据不同测量方法构建测量模型：依据磁通门经纬仪仪器差测量方式不同构建两组测量模型。
[0068]
具体的，若工作人员使用近零法对磁通门经纬仪仪器差进行测量，则构建相关磁偏角d仪器差测量模型以及磁倾角i仪器差测量模型，若工作人员使用指零法对磁通门经纬仪仪器差进行测量，则构建相关磁偏角d仪器差测量模型以及磁倾角i仪器差测量模型。
[0069]
需要进一步说明的是，其具体模型构建公式如下：
[0070][0071][0072][0073][0074]
其中，公式(1)、(2)为近零法测量模型，公式(3)、(4)为指零法测量模型，为被测仪器所测量的若干组磁偏角基线值d
bx
的均值，为标准仪器所测量的若干组磁偏角基线值d
bs
的均值，为被测仪器所测量的若干组磁倾角基线值i
bx
的均值，为标准仪器所测量的若干组磁倾角基线值i
bs
的均值；
[0075]
δrd、δri：在理想状态下，d
bx
，d
bs
，i
bx
及i
bs
在任何时候都为恒定常数，实际中，由于进行连续相对值记录的磁通门磁力仪的三个磁轴x、y、z并没有完全正交及其它素，导致记录的三分量地磁变化曲线d、h、z会相互掺杂影响，且地磁场变化越剧烈，影响越明显，这种影响量的变化称为日变，其影响量即为δrd、δri，单位：
′
；
[0076]cx
、cs：被测仪器及标准仪器修正系数，无量纲；
[0077]
δc
x
、δcs：被测仪器及标准仪器修正系数的偏差，无量纲；
[0078]
δθ
x
、δθs：被测仪器及标准仪器磁通门探头温度系数，单位：nt/℃；
[0079]
δt
x
、δts：被测仪器及标准仪器测量开始与结束时的环境温度差，单位：℃；
[0080]
δs
x
、δss：近零法测量时被测仪器及标准仪器在某位置的修正值，∑δs为所有四个位置修正值之和，定义为所有第三、第四位置的和减去第一、第二位置的和，单位：nt；
[0081]
t＝3438
′
/rad，弧度转换为角度制分的参数；
[0082]
h：测量点位磁场水平分量概值，测量时段内可认为常量，单位nt；
[0083]
f：测量点位在测量时段磁场总强度均值，测量时段内可认为常量，单位nt。
[0084]
计算灵敏系数公式：通过使用不同的模型获取各组参数，并对标准不确定度公式以及及计算灵敏系数公式进行数据合成处理。
[0085]
具体的，工作人员根据使用的测量方法，在式(1)～式(4)中选择仪器差e
dx
以及e
ix
的测量模型，同时对模型中的各不确定度来源进行确定，并获取所有参数，并采用gum法的公式对通过公式(1)、公式(2)、公式(3)以及公式(4)构建的测量模型进行合成，合成完成
后，对公式(1)～(4)进行合成方差处理，并对偏导数表示式中的各个输入量均取其数学期望进行计算。
[0086]
需要进一步说明的是，具体合成公式如下：
[0087][0088][0089]
此外，合成方差具体计算公式如下：
[0090][0091][0092][0093][0094][0095]
其中，ci代表灵敏系数，i为自然数，且i＞0；
[0096]
在公式(7)中，ci的值具体如下：
[0097][0098][0099][0100][0101][0102][0103][0104][0105]
[0106]
其中，因各个输入量均取其数学期望，故δc
x
＝δcs＝δθ
x
＝δθs＝0，同理，在(8)中，c1＝c2＝1，c3＝-1，1，
[0107]
在(9)中c1＝c2＝1，c3＝-1，
[0108]
在(10)中c1＝c2＝1，c3＝-1，
[0109]
计算各分量标准不确定度并合成，得出扩展不确定度：根据参数，计算各输入量xi的标准不确定度u(xi)、灵敏系数ci、不确定度分量ui(y)，并合成标准不确定度uc(e
dx
)、uc(e
ix
)，根据需要进行自由度vi及v
eff
的估计，并确认仪器差的扩展不确定度。
[0110]
具体的，首先测试模型收集被测仪器及标准仪器测得的d、i的基线值均值以及对标准仪器的以及不确定度来源进行确认，若将被测量值溯源至国际基准，则合成标准不确定度以及若溯源至国内基准，则忽略u1项合成标准不确定度以及收集在日常进行观测的下午时段内，相对记录仪器记录的磁偏角与磁倾角日变幅度，并确定仪器日变引起的偏差范围
±
αd以及
±
αi，同时通过均匀分布估计得到以及同时记录仪器标定时得到的δc
x
的标准偏差β
x
，标定6组，则由重复性导致的标准不确定度为此外，测试模型收集上次校准以来修正系数的变化量的不确定度分量u1(δcs)，其不确定度分量变化量在
±
β
s1
范围内，并通过均匀分布估计得记录修正系数在标定时由重复性导致的不确定分量u2(δcs)，标定6组，其不确定分量标准偏差为β
s2
，并得到将两个不相关的分量合成标准不确定得分别确定被测仪器温度系数δθ
x
以及标准仪器温度系数δθs范围
±
γ
x
以及
±
γs，并通过均匀分布估计得以及
[0111]
需要进一步说明的是，不确定度来源包括与国际标准值的偏差引入的不确定度以及由测量重复性引入的不确定度，其中，与国际标准值的偏差引入的不确定度为以及国际比对d、i最大允许误差均为0.1
′
，以均匀分布估计得
由测量重复性引入的不确定度为以及d、i各进行n次重复测量，每次测量的标准偏差为s(d
bs
)以及s(i
bs
)，n次测量平均值的不确定度为以及